Котел — это закрытый сосуд , в котором нагревается жидкость (обычно вода ) . Жидкость не обязательно кипит . Нагретая или испаренная жидкость выходит из котла для использования в различных процессах или системах отопления, [1] [ необходима страница ] [2] [ необходима страница ], включая нагрев воды , центральное отопление , выработку электроэнергии на базе котла , приготовление пищи и канализацию .
На электростанции, работающей на ископаемом топливе, использующей паровой цикл для выработки электроэнергии, основным источником тепла будет сжигание угля , нефти или природного газа . В некоторых случаях побочное топливо, такое как отходящие газы коксовой батареи с высоким содержанием угарного газа, можно сжигать для нагрева котла; там, где это экономически доступно, также можно использовать биотопливо, такое как жом . На атомной электростанции котлы, называемые парогенераторами, нагреваются за счет тепла, выделяемого в результате ядерного деления. Если в результате какого-либо процесса имеется большой объем горячего газа, парогенератор-утилизатор или котел-утилизатор может использовать это тепло для производства пара с небольшим потреблением дополнительного топлива или без него; такая конфигурация распространена на электростанциях с комбинированным циклом , где используются газовая турбина и паровой котел. Во всех случаях отходящие газы продуктов сгорания отделены от рабочего тела парового цикла, что делает эти системы примерами двигателей внешнего сгорания .
Сосуд котла под давлением обычно изготавливается из стали (или легированной стали ) или исторически из кованого железа . Нержавеющую сталь , особенно аустенитных типов , не применяют в смачиваемых частях котлов из-за коррозии и коррозионного растрескивания под напряжением . [3] [ нужна страница ] Тем не менее, ферритная нержавеющая сталь часто используется в секциях пароперегревателя, которые не будут подвергаться воздействию кипящей воды , а котлы с корпусом из нержавеющей стали с электрическим нагревом разрешены в соответствии с Европейской «Директивой об оборудовании, работающем под давлением», для производства пара для стерилизаторы и дезинфекторы. [4]
В моделях с острым паром часто используется медь или латунь, поскольку их легче изготовить в котлах меньшего размера. Исторически медь часто использовалась для топок (особенно для паровозов ) из-за ее лучшей формуемости и более высокой теплопроводности; однако в последнее время высокая цена на медь часто делает этот выбор нерентабельным, и вместо него используются более дешевые заменители (например, сталь). [ нужна цитата ]
На протяжении большей части викторианской «эпохи пара» единственным материалом, используемым для изготовления котлов, было кованое железо высочайшего качества , сборка которого осуществлялась путем клепки . Этот чугун часто получали на специализированных металлургических заводах , например, в районе Клитор-Мур (Великобритания), известных высоким качеством проката , который особенно подходил для использования в критических приложениях, таких как котлы высокого давления. В 20 веке практика проектирования перешла на использование стали со сварной конструкцией, которая прочнее и дешевле, а также может быть изготовлена быстрее и с меньшими трудозатратами. Котлы из кованого железа корродируют гораздо медленнее, чем их современные стальные аналоги, и менее подвержены локальной точечной коррозии и коррозии под напряжением. Это делает долговечность старых котлов из кованого железа намного выше, чем у сварных стальных котлов. [ нужна цитата ]
Чугун можно использовать для нагревательного бака бытовых водонагревателей. Хотя в некоторых странах такие обогреватели обычно называют «котлами», их целью обычно является производство горячей воды, а не пара, поэтому они работают при низком давлении и стараются избежать кипения. Хрупкость чугуна делает его непрактичным для паровых котлов высокого давления.
Источником тепла для котла является сжигание любого из нескольких видов топлива , например, древесины , угля , нефти или природного газа . В электрических паровых котлах используются нагревательные элементы сопротивления или погружного типа . Ядерное деление также используется в качестве источника тепла для производства пара либо напрямую (BWR), либо, в большинстве случаев, в специализированных теплообменниках , называемых «парогенераторами» (PWR). Парогенераторы-утилизаторы (HRSG) используют тепло, отводимое от других процессов, таких как газовая турбина . [ нужна цитата ]
Существует два метода измерения эффективности котла в соответствии с кодом испытаний производительности ASME (PTC) для котлов ASME PTC 4 [5] и для котлов-утилизаторов ASME PTC 4.4 и EN 12952-15 [6] для водотрубных котлов:
Прямой метод проверки эффективности котла более удобен и распространен.
где
Для измерения КПД котла косвенным методом необходимы такие параметры:
Котлы можно разделить на следующие конфигурации:
Чтобы определить и обеспечить безопасность котлов, некоторые профессиональные специализированные организации, такие как Американское общество инженеров-механиков (ASME), разрабатывают стандарты и нормы регулирования. Например, Кодекс ASME по котлам и сосудам под давлением представляет собой стандарт, содержащий широкий спектр правил и директив, обеспечивающих соответствие котлов и других сосудов под давлением стандартам безопасности, защиты и проектирования. [8]
Исторически котлы были источником многих серьезных травм и разрушения имущества из-за плохого понимания инженерных принципов. Тонкие и хрупкие металлические оболочки могут разорваться, а плохо сваренные или заклепанные швы могут раскрыться, что приведет к сильному выбросу сжатого пара. Когда вода превращается в пар, она расширяется более чем в 1000 раз по сравнению с первоначальным объемом и движется по паровым трубам со скоростью более 100 километров в час (62 мили в час). По этой причине пар является эффективным методом перемещения энергии и тепла по объекту от центральной котельной туда, где это необходимо, но без правильной очистки питательной воды котла пароподъемная установка будет страдать от образования накипи и коррозии. В лучшем случае это увеличивает затраты на электроэнергию и может привести к ухудшению качества пара, снижению эффективности, сокращению срока службы установки и ненадежной работе. В худшем случае это может привести к катастрофическому отказу и гибели людей. Обрушившиеся или смещенные трубы котла также могут выбрасывать обжигающе горячий пар и дым из воздухозаборника и топочного желоба, травмируя пожарных, загружающих уголь в топку. Чрезвычайно большие котлы, обеспечивающие работу заводов мощностью в сотни лошадиных сил, потенциально могут разрушить целые здания. [9]
Котел, в котором отсутствует питательная вода и который выкипает всухую, может быть чрезвычайно опасным. Если затем подать питательную воду в пустой котел, небольшой каскад поступающей воды мгновенно закипает при контакте с перегретой металлической оболочкой и приводит к сильному взрыву, который невозможно контролировать даже предохранительными паровыми клапанами. Опустошение котла может произойти и в том случае, если в паропроводах возникнет протечка, превышающая возможности запаса подпиточной воды. Хартфордская петля была изобретена в 1919 году Хартфордской компанией по инспекции и страхованию паровых котлов как метод, помогающий предотвратить возникновение этого состояния и тем самым уменьшить их страховые выплаты. [10] [11]
При кипячении воды образуется насыщенный пар , также называемый «влажным паром». Насыщенный пар, хотя и состоит в основном из водяного пара, несет в себе некоторое количество неиспарившейся воды в виде капель. Насыщенный пар полезен для многих целей, таких как приготовление пищи , обогрев и санитария , но нежелателен, когда ожидается, что пар будет передавать энергию механизмам, таким как двигательная система корабля или «движение» паровоза . Это связано с тем, что неизбежная потеря температуры и/или давления, возникающая при движении пара от котла к оборудованию, приведет к некоторой конденсации, в результате чего жидкая вода попадет в оборудование. Вода, вовлеченная в пар, может повредить лопатки турбины или, в случае парового двигателя возвратно-поступательного действия , может вызвать серьезные механические повреждения из-за гидростатической блокировки .
Котлы с перегретым паром испаряют воду, а затем дополнительно нагревают пар в пароперегревателе , в результате чего температура выходящего пара существенно превышает температуру кипения при рабочем давлении котла. Поскольку полученный « сухой пар » намного горячее, чем необходимо для пребывания в парообразном состоянии, он не будет содержать значительного количества неиспарившейся воды. Кроме того, станет возможным более высокое давление пара, чем при использовании насыщенного пара, что позволит пару переносить больше энергии. Хотя перегрев добавляет больше энергии к пару в виде тепла, он не влияет на давление, которое определяется скоростью отбора пара из котла и настройками давления предохранительных клапанов . [12] Расход топлива, необходимый для выработки перегретого пара, превышает расход топлива, необходимый для выработки эквивалентного объема насыщенного пара. Однако общая энергоэффективность паровой установки (сочетания котла, пароперегревателя, трубопроводов и оборудования) в целом будет повышена настолько, чтобы более чем компенсировать возросший расход топлива.
Работа пароперегревателя аналогична работе змеевиков кондиционера , хотя и для другой цели. Паропровод проходит через путь дымовых газов в топке котла, где температура обычно составляет от 1300 до 1600 градусов Цельсия (от 2372 до 2912 градусов по Фаренгейту). Некоторые пароперегреватели относятся к излучающему типу, который, как следует из названия, поглощает тепло за счет излучения. Другие относятся к конвекционному типу и поглощают тепло из жидкости. Некоторые представляют собой комбинацию этих двух типов. В любом случае сильное тепло в тракте дымовых газов также будет нагревать паровой трубопровод перегревателя и пар внутри него.
Проектирование любой установки с перегретым паром представляет собой ряд инженерных проблем из-за высоких рабочих температур и давлений. Одним из соображений является введение питательной воды в котел. Насос , используемый для загрузки котла, должен быть способен преодолевать рабочее давление котла, иначе вода не будет течь. Поскольку перегретый котел обычно работает при высоком давлении, соответствующее давление питательной воды должно быть еще выше, что требует более прочной конструкции насоса.
Еще одним соображением является безопасность. Перегретый пар под высоким давлением может быть чрезвычайно опасным, если он непреднамеренно выйдет наружу. Чтобы дать читателю некоторое представление, паровые установки, используемые на многих эсминцах ВМС США , построенных во время Второй мировой войны, работали при давлении 600 фунтов на квадратный дюйм (4100 кПа ; 41 бар ) и перегреве 850 градусов по Фаренгейту (454 градуса по Цельсию). В случае серьезного разрушения системы, постоянно присутствующего на военном корабле во время боя , огромное энерговыделение выходящего перегретого пара, расширяющегося более чем в 1600 раз по сравнению с ограниченным объемом, было бы эквивалентно катастрофическому взрыву, который последствия будут усугублены выбросом пара, происходящим в замкнутом пространстве, например, в машинном отделении корабля . Кроме того, небольшие утечки, которые не видны в месте утечки, могут быть смертельными, если человек встанет на путь выходящего пара. Поэтому проектировщики стараются придать компонентам системы обработки пара как можно большую прочность для сохранения целостности. Для предотвращения утечек используются специальные методы соединения паровых труб, при этом в системах очень высокого давления используются сварные соединения, чтобы избежать проблем с утечками при использовании резьбовых или прокладочных соединений.
Сверхкритические парогенераторы часто используются для производства электроэнергии . Они работают при сверхкритическом давлении. В отличие от «докритического котла», сверхкритический парогенератор работает при таком высоком давлении (более 3200 фунтов на квадратный дюйм или 22 МПа), что физическая турбулентность, характеризующая кипение, перестает возникать; жидкость не является ни жидкостью, ни газом, а является сверхкритической жидкостью. В воде не образуются пузырьки пара, поскольку давление превышает критическую точку давления , при которой могут образовываться пузырьки пара. Когда жидкость расширяется через ступени турбины, ее термодинамическое состояние падает ниже критической точки, поскольку она вращает турбину, которая вращает электрический генератор, из которого в конечном итоге извлекается мощность. Жидкость в этот момент может представлять собой смесь пара и капель жидкости, проходящей в конденсатор . Это приводит к немного меньшему использованию топлива и, следовательно, к меньшему производству парниковых газов . Термин «котел» не следует использовать для обозначения парогенератора сверхкритического давления, поскольку в этом устройстве не происходит «кипения».
Котел , обогреваемый топливом, должен подавать воздух для окисления топлива. Ранние котлы обеспечивали этот поток воздуха или тягу за счет естественного действия конвекции в дымоходе , соединенном с выхлопом камеры сгорания. Поскольку нагретый дымовой газ менее плотен, чем окружающий котел окружающий воздух, дымовой газ поднимается в дымоходе, втягивая более плотный свежий воздух в камеру сгорания. [ нужна цитата ]
Большинство современных котлов зависят от механической тяги, а не от естественной тяги. Это связано с тем, что естественная тяга зависит от условий наружного воздуха и температуры дымовых газов, выходящих из печи, а также от высоты дымохода. Все эти факторы затрудняют достижение надлежащей тяги и, следовательно, делают механическое вытяжное оборудование гораздо более надежным и экономичным. [ нужна цитата ]
Виды тяги также можно разделить на вынужденную тягу , при которой выхлопные газы вытягиваются из котла; принудительная тяга , при которой в котел нагнетается свежий воздух; и сбалансированная тяга , где используются оба эффекта. Естественная тяга за счет использования дымохода — это разновидность вынужденной тяги; Механическая тяга может быть вызванной, принудительной или сбалансированной.
Существует два типа механической тяги. Первый заключается в использовании струи пара. Струя пара, ориентированная в направлении потока дымовых газов, нагнетает дымовые газы в дымовую трубу и обеспечивает большую скорость дымовых газов, увеличивая общую тягу в печи. Этот метод был распространен на паровых локомотивах, у которых не могло быть высоких дымоходов. Второй метод заключается в простом использовании вытяжного вентилятора (ID-вентилятора), который удаляет дымовые газы из печи и нагнетает выхлопные газы вверх по дымовой трубе. Почти все печи с принудительной тягой работают при слегка отрицательном давлении.
Механическая принудительная тяга обеспечивается посредством вентилятора, нагнетающего воздух в камеру сгорания. Воздух часто пропускают через воздухонагреватель; который, как следует из названия, нагревает воздух, поступающий в топку, с целью повышения общего КПД котла. Заслонки используются для регулирования количества воздуха, поступающего в печь. Печи с принудительной тягой обычно имеют положительное давление.
Сбалансированная тяга достигается за счет использования как вынужденной, так и принудительной тяги. Это чаще встречается в котлах большего размера, где дымовым газам приходится преодолевать большие расстояния через множество проходов котла. Вытяжной вентилятор работает совместно с вытяжным вентилятором, позволяя поддерживать давление в печи немного ниже атмосферного.
